周 建，張鳳榮，徐 艷，高 陽(yáng)，邱孟龍，李 燦

0 引 言

半干旱沙區(qū)是指在干濕氣候區(qū)劃上為半干旱區(qū)且土壤質(zhì)地以沙質(zhì)為主的區(qū)域[1]。半干旱沙區(qū)氣候類型為大陸性季風(fēng)氣候，降水具有較大的波動(dòng)性。水分是制約半干旱沙區(qū)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子[2-3]。根據(jù)相關(guān)研究，多年平均降水量在300～400 mm時(shí)，地帶性植被類型為典型草原[4]；半干旱沙區(qū)玉米生長(zhǎng)的需水量在500 mm左右[5-6]。因此，半干旱沙區(qū)降水量能夠滿足草地生長(zhǎng)需水量但不能完全滿足玉米生長(zhǎng)需水量，使得半干旱沙區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為半農(nóng)半牧。在半農(nóng)半牧的生產(chǎn)方式下，種植業(yè)（以旱地玉米為主）一方面為農(nóng)民提供糧食生產(chǎn)收入，另一方面玉米籽粒為牲畜提供飼料，再者玉米秸稈成為牲畜過(guò)冬的飼草[7-8]，加之農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展[9-10]，農(nóng)民有經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)也有能力盡可能多地增加耕地面積。但是，半干旱沙區(qū)的氣候特點(diǎn)使得耕地利用不可持續(xù)，形成了開(kāi)墾－撂荒－沙化－再開(kāi)墾－再撂荒－嚴(yán)重沙化的土地利用方式[11-12]，該土地利用方式使半干旱沙區(qū)是中國(guó)不穩(wěn)定耕地的主要分布區(qū)域之一[13]，也導(dǎo)致了該地區(qū)土地荒漠化問(wèn)題突出[14-17]。因此，研究不同降水條件下半干旱沙區(qū)作物的生長(zhǎng)狀況，識(shí)別不穩(wěn)定耕地，對(duì)半干旱沙區(qū)生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。

既有的關(guān)于不穩(wěn)定耕地的研究相對(duì)較少，王宏亮調(diào)查了內(nèi)蒙古不適宜不穩(wěn)定耕地狀況并從自然條件方面分析了不適宜不穩(wěn)定耕地產(chǎn)生的原因[18]。杜國(guó)明等基于第二次全國(guó)土地調(diào)查評(píng)價(jià)成果，將不穩(wěn)定耕地劃分為開(kāi)墾草原地、開(kāi)墾荒地等10種類型[19]。2014年4月國(guó)土資源部發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展全國(guó)耕地后備資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作的通知》（國(guó)土資廳發(fā)[2014]13號(hào)），啟動(dòng)了新一輪耕地后備資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作，“不穩(wěn)定耕地”調(diào)查評(píng)價(jià)是耕地后備資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，要查清不穩(wěn)定耕地的類型、位置、面積、利用狀況等情況。劉星等基于新一輪耕地后備資源調(diào)查評(píng)價(jià)，對(duì)干旱區(qū)河湖防洪區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定耕地的判定進(jìn)行了探討[20]。王磊根據(jù)《耕地后備資源調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》，利用遙感影像對(duì)不穩(wěn)定耕地進(jìn)行調(diào)查分析[21]。趙愛(ài)棟等利用新一輪不穩(wěn)定耕地調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果，從糧食安全、農(nóng)民收入、生態(tài)影響 3個(gè)方面對(duì)不穩(wěn)定耕地進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出了不穩(wěn)定耕地 “維持耕種用途”、“工程改造”、“逐步退耕”3種后續(xù)處理方式[22]，同時(shí)，以新疆尉犁縣為例對(duì)不穩(wěn)定耕地退耕的可行性進(jìn)行了分析[13]。就半干旱沙區(qū)而言，不穩(wěn)定耕地類型主要為“受土地荒漠化、沙化及其他因素影響的不穩(wěn)定耕地”。以上相關(guān)研究主要從自然條件等方面選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不穩(wěn)定耕地進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)，盡管受各種因素限制使得耕地質(zhì)量存在各方面的問(wèn)題，導(dǎo)致耕地利用不可持續(xù)，但是，不穩(wěn)定耕地本質(zhì)上是受各種因素限制導(dǎo)致耕地生產(chǎn)能力不可持續(xù)，具體表現(xiàn)為耕地作物生長(zhǎng)狀況較差。因此，利用耕地作物的生長(zhǎng)狀況識(shí)別不穩(wěn)定耕地是一個(gè)重要途徑。

基于以上分析，本研究利用遙感技術(shù)研究不同降水條件下耕地作物生長(zhǎng)狀況，基于耕地作物的生長(zhǎng)狀況識(shí)別不穩(wěn)定耕地。通過(guò)本研究，一方面深化對(duì)半干旱沙區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)，另一方面為不穩(wěn)定耕地的識(shí)別提供新的思路。

1 研究區(qū)概況

科爾沁左翼后旗（科左后旗，121°30′～123°42′E，42°40′～43°42′N）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁沙地的東南部（圖1），屬于半干旱沙區(qū)，面積為1.1×104km2。氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降水量415 mm，主要集中在6－8 月份。年平均風(fēng)速3～4 m/s之間，且大風(fēng)天氣主要集中在冬、春季節(jié)。土壤類型以風(fēng)沙土為主，占土壤總面積的 68.9%，沙性土壤使土地易荒漠化。50年代末期，荒漠化土地面積占土地總面積的22%，80年代末期增至48%[23]。海拔在88.5～208.4 m之間，地形平緩，固定沙丘、半固定沙丘、流動(dòng)沙丘相結(jié)合，坨甸相間分布是其主要的地貌特點(diǎn)。坨甸相間的微地形使自然降水重新分布，土壤水分地形分異顯著。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為半農(nóng)半牧型。耕地作物以旱地玉米為主，2016年全旗糧食作物播種面積1.89×105hm2，其中玉米播種面積 1.62×105hm2，占85.7%。2016牧業(yè)年度牲畜頭數(shù)304.29 萬(wàn)頭（只、口）。

圖1 科左后旗位置Fig.1 Location of Horqin Left Back Banner

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)與處理

科左后旗2001年、2008年、2013年土地利用/覆被數(shù)據(jù)由ETM+、TM5、OLI陸地遙感影像解譯得到[24]。2012年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)。NDVI數(shù)據(jù)為16 d合成的MOD13Q1_NDVI數(shù)據(jù)，包括2001年、2008年、2012年、2013年每年第145天、第161天、第177天、第193天、第209天、第225天、第241天、第257天的H26V4、H27V4的數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m。2001年、2008年、2013年土地利用/覆被的空間分辨率為30 m，MODIS_NDVI的空間分辨率為250 m，利用最近鄰法將2001年、2008年、2012年、2013年的土地利用/覆被數(shù)據(jù)重采樣為 250 m。氣象數(shù)據(jù)為科左后旗氣象站（圖1）1980年1月1日至2013年12月31日的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 玉米生長(zhǎng)期降水型劃分

2012年旱地面積占耕地總面積的77%，2016年玉米播種面積占糧食總播種面積的比例為85.7%，旱地玉米是科左后旗最主要的作物類型。為分析不同降水條件下玉米的生長(zhǎng)狀況，對(duì)1980－2013年玉米生長(zhǎng)期（5月5日－9月17日）的降水型進(jìn)行劃分[4-5,25]，豐水型、偏豐水型、平水型、偏欠水型、欠水型的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

式中R為玉米生長(zhǎng)期降水量，mm；ˉR為1980－2013年玉米生長(zhǎng)期多年平均降水量，mm；σ為1980－2013年玉米生長(zhǎng)期降水量的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2.2 玉米生長(zhǎng)狀況

遙感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物種植面積監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量估算等方面[26-28]，植被指數(shù)與作物產(chǎn)量具有顯著相關(guān)性[29-31]。本文利用玉米生長(zhǎng)期內(nèi) NDVI指數(shù)的加和NDVIsum反映玉米生長(zhǎng)狀況（公式（1）），NDVIsum越大反映玉米生長(zhǎng)越好。根據(jù)玉米生長(zhǎng)期降水型的劃分結(jié)果，選擇偏豐水型（2008年、2012年）、平水型（2013年）、偏欠水型（2001年），研究不同降水型下玉米的生長(zhǎng)狀況，以分析半干旱沙區(qū)種植業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

式中NDVIsum為玉米生長(zhǎng)期NDVI之和；NDVIi表示各年玉米生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)應(yīng)的8期16 d合成的NDVI值。

2.2.3 不穩(wěn)定耕地分析

降水條件是影響半干旱沙區(qū)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，利用平水型（2013年）與偏欠水型（2001年）耕地作物的生長(zhǎng)差異識(shí)別不穩(wěn)定耕地。

式中NDVIsum1表示偏欠水型耕地的NDVIsum值；NDVIsum2表示平水型耕地的 NDVIsum值，△NDVIsum表示耕地NDVIsum的差值，△NDVIsum越小表示耕地作物在偏欠水型下生長(zhǎng)狀況較正常水型下越差。

3 結(jié)果與分析

3.1 1980－2013年玉米生長(zhǎng)期降水型分析

科左后旗1980－2013年共34 a玉米生長(zhǎng)期降水型劃分中3 a屬豐水型，占8.82%；11 a屬偏豐水型，占32.35%；6 a屬平水型，占17.65%；10 a為偏欠水型，占29.41%；4 a為欠水型，占11.77%（圖2），表明科左后旗玉米生長(zhǎng)期降水量具有很大的波動(dòng)性，且豐水型與偏豐水型、欠水型與偏欠水型所占比例均較大，平水型年份所占比例不高。

圖2 1980－2013年玉米生長(zhǎng)期降水量及其降水型Fig.2 Precipitation and precipitation type of maize growth period from 1980 to 2013

3.2 偏欠水型年份與平水型年份玉米生長(zhǎng)狀況分析

2001年耕地的NDVIsum主要分布在[4，4.5)之間，分布在此范圍內(nèi)的耕地面積占2001年耕地總面積的比例為31.09%（表1）。2013年耕地的NDVIsum主要分布在[4.5，5.5)之間，分布在此范圍內(nèi)的耕地面積占 2013年耕地總面積的比例為68.94%。

其次，2013年NDVIsum值低于4.5的耕地面積占2013年耕地總面積的比例為23.87%，而2001年的相應(yīng)比例為71.97%，遠(yuǎn)大于2013年的比例。2013年NDVIsum值大于4.5的耕地面積占2013年耕地總面積的比例為76.13%，而2001年的相應(yīng)比例僅為28.03%，遠(yuǎn)小于2013年的比例。因此，偏欠水型年份玉米生長(zhǎng)狀況較平水型年份玉米生長(zhǎng)狀況差。

表1 2001年、2008年、2012年、2013年各NDVIsum分組的耕地面積比例Table 1 Area proportion of grouped NDVIsum cultivated land of 2001, 2008, 2012 and 2013 %

前文提到，科左后旗玉米正常生長(zhǎng)需水量為500 mm左右[5-6]，而科左后旗多年平均降水量為415 mm，平水型年份玉米生長(zhǎng)期的降水量本就不能充分滿足玉米正常生長(zhǎng)的水分需求，2013年玉米生長(zhǎng)期降水量為346.1 mm。偏欠水型玉米生長(zhǎng)期降水量較平水型更少，2001年玉米生長(zhǎng)期降水量為239.6 mm，較2013年少107.5 mm，玉米生長(zhǎng)受到水分脅迫的程度更加嚴(yán)重，偏欠水型下玉米生長(zhǎng)狀況差。

3.3 平水型年份與偏豐水型年份玉米生長(zhǎng)狀況分析

2008年耕地的NDVIsum主要分布在[4，5)之間，分布在此范圍內(nèi)的耕地面積占 2008年耕地面積的比例為60.81%（表1）。2012年耕地的NDVIsum也主要分布在[4，5)之間，在此范圍內(nèi)的耕地面積占2012年耕地總面積的比例為67.62%。然而，2013年耕地的NDVIsum主要分布在[4.5，5.5)之間，分布在此范圍內(nèi)的耕地面積占2013年耕地總面積的68.94%，且分布在[4.5，5)之間的耕地面積所占比例均大于2008年、2012年的相應(yīng)比例。

其次，2008年、2012年NDVIsum小于4.5的耕地面積占2008年、2012年耕地總面積的比例分別為55.66%、40.80%，而2013年NDVIsum小于4.5的耕地面積占2013年耕地總面積的比例僅為 23.87%，小于 2008年、2012年的比例。2008年、2012年NDVIsum大于4.5的耕地面積占2008年、2012年耕地總面積的比例分別為44.34%、59.20%，而2013年NDVIsum大于4.5的耕地面積占2013年耕地總面積的比例為 76.13%，遠(yuǎn)大于 2008年、2012年的比例。因此，平水型年份玉米生長(zhǎng)狀況比偏豐水型年份玉米生長(zhǎng)狀況好。

偏豐水型下玉米生長(zhǎng)狀況比平水型下玉米生長(zhǎng)狀況差主要是由微地形引起水分重新分配進(jìn)而影響玉米生長(zhǎng)所致?？谱蠛笃焱寥酪陨承酝寥罏橹鳎L(fēng)沙土占科左后旗總面積的 68%，沙性土壤保水性能差，自然降水極易匯集到地形低洼處。其次，科左后旗地下水埋深較淺，地下水平均埋深1980年為2.12 m，2008年為3.48 m，且地下水位變化受降水量影響顯著，當(dāng)降水量多時(shí)，地下水位會(huì)顯著升高。再者，草甸沼澤土、泥炭土、草甸土是科左后旗相對(duì)優(yōu)質(zhì)且適宜進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土壤類型[24]，草甸沼澤土、泥炭土、草甸土類型的耕地占耕地總面積的比例較大，2013年占比分別為 1.46%、0.07%、41.38%，總計(jì)42.91%，這些土壤類型的耕地分布在地形較低的區(qū)域[32]。最后，科左后旗為大陸性季風(fēng)氣候，降水集中度高，一次降水量可以達(dá)到100 mm以上。綜合以上各因素，導(dǎo)致了地形較低處的耕地在降水較多時(shí)易于遭受澇災(zāi)，影響玉米生長(zhǎng)，使得偏豐水型（2008年、2012年）玉米生長(zhǎng)狀況比平水型（2013年）玉米生長(zhǎng)狀況差。

3.4 偏豐水型年份與偏欠水型年份玉米生長(zhǎng)狀況分析

2008年、2012年耕地的NDVIsum主要分布在[4，5)之間，分布在此范圍內(nèi)的耕地面積占2008年、2012年耕地總面積的比例分別為60.81%、67.62%（表1）。而2001年耕地的NDVIsum主要分布在[4，4.5)之間，分布在此范圍內(nèi)的耕地面積占2001年耕地總面積的比例為31.09%，而且2001年耕地的NDVIsum在[4，4.5)范圍內(nèi)的比例均小于2008年、2012年的比例。

其次，2001年NDVIsum值低于4.5的耕地面積占2001年耕地總面積的比例為71.97%，2008年、2012年NDVIsum值小于4.5的耕地面積占2008年、2012年耕地總面積的比例分別為55.66%、40.80%，均小于2001年的比例。相反，2001年NDVIsum值大于4.5的耕地面積占2001年耕地總面積的比例僅為28.03%，2008年、2012年NDVIsum值大于4.5的耕地面積占2008年、2012年耕地總面積的比例分別為44.34%、59.20%，均遠(yuǎn)大于2001年的比例。因此，偏豐水型年份玉米生長(zhǎng)狀況優(yōu)于偏欠水型年份玉米生長(zhǎng)狀況，偏豐水型年份玉米生長(zhǎng)狀況相對(duì)較好。

2013年風(fēng)沙土類型的耕地占耕地總面積的比例為47.70%，草甸沼澤土、泥炭土、草甸土類型的耕地占耕地總面積的比例依次為1.46%、0.07%、41.38%。與周圍地形相比，泥炭土、草甸沼澤土、草甸土分布在地形較低處，且相對(duì)高程依次升高，當(dāng)降水量較多，地形低洼處形成洪澇時(shí)首先對(duì)草甸沼澤土和泥炭土上的玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，當(dāng)?shù)叵滤贿M(jìn)一步抬升，才影響草甸土上耕地玉米的生長(zhǎng)，即降水量較多時(shí)并未對(duì)所有的草甸土上的耕地玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。但是，當(dāng)降水量減少發(fā)生干旱時(shí)，卻是對(duì)所有耕地，尤其是地形高處保水能力差的占耕地比例大的風(fēng)沙土上的耕地玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，干旱對(duì)科左后旗玉米生長(zhǎng)的影響大于瀝澇對(duì)玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響。

地形低洼處的耕地在降水量較多時(shí)受瀝澇影響對(duì)耕地作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，即使作物受澇生長(zhǎng)狀況差，但由于水分豐富，草本植物也能生長(zhǎng)茂盛，能夠有效防止土地荒漠化，相反，地形較高處的風(fēng)沙土上的耕地在干旱條件下作物生長(zhǎng)狀況差，植被覆蓋度低，土地易于荒漠化。

3.5 耕地類型分析

平水型下農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況相對(duì)最好，偏欠水型下農(nóng)作物生長(zhǎng)相對(duì)最差，利用平水型與偏欠水型耕地作物生長(zhǎng)差異識(shí)別不穩(wěn)定耕地。2001年耕地面積為279 468.75 hm2，2013年耕地面積為299 912.5 hm2，2001為耕地且2013年也為耕地的土地面積為184 656.25 hm2，占2001年耕地面積的66.07%，占2013年耕地面積的61.57%。對(duì)2個(gè)時(shí)期土地利用類型均為耕地的作物的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行分析，耕地的△NDVIsum越小，表示偏欠水型作物生長(zhǎng)狀況較正常水型作物生長(zhǎng)狀況越差，耕地利用越不穩(wěn)定；偏欠水型作物生長(zhǎng)狀況優(yōu)于正常水型的，表明耕地利用穩(wěn)定。根據(jù)作物生長(zhǎng)差異，將2001年、2013年土地利用均為耕地的土地分為極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、相對(duì)穩(wěn)定和穩(wěn)定4種類型（圖3、表2）。其中，極不穩(wěn)定耕地面積為68.75 hm2，占2001年、2013年土地利用均為耕地的面積的0.037%；不穩(wěn)定耕地面積為33 918.75 hm2，占18.369%；相對(duì)穩(wěn)定的耕地面積為134 031.25 hm2，占72.584%；穩(wěn)定的耕地面積16 637.5 hm2，占9.01%。

需要注意的是，由于在地形低洼處可以修建集雨、儲(chǔ)水設(shè)施以收集降水量較多時(shí)地形低洼處的積水，以解決瀝澇對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，并利用收集的雨水在發(fā)生干旱時(shí)進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，即集雨設(shè)施的修建可以保證地形低洼處耕地的可持續(xù)利用。因此，不穩(wěn)定耕地分析中沒(méi)有將受瀝澇影響的耕地作為不穩(wěn)定耕地。

圖3 2001年、2013年土地利用均為耕地的耕地類型Fig.3 Cultivated land type of cultivated land both in 2001 and 2013

表2 2001年、2013年土地利用均為耕地的耕地類型Table 2 Cultivated land type of cultivated land both in 2001 and 2013

4 結(jié) 論

本文在對(duì)不穩(wěn)定耕地進(jìn)行分析時(shí)，并未對(duì)耕地利用類型發(fā)生變化的土地進(jìn)行分析，主要是由于相關(guān)研究已經(jīng)表明，發(fā)生類型變化的耕地主要分布在風(fēng)沙土和草甸土上，風(fēng)沙土土壤無(wú)結(jié)構(gòu)，肥力水平低，作為耕地利用后土壤肥力下降速度快，耕地生產(chǎn)力下降迅速，進(jìn)而產(chǎn)生耕地撂荒，形成不穩(wěn)定耕地；盡管草甸土土壤肥力相對(duì)較好，但是，連續(xù)利用草甸土類型的耕地而不注重耕地地力的保持，也會(huì)造成耕地地力的下降，進(jìn)而產(chǎn)生耕地的撂荒，形成不穩(wěn)定耕地。因此，發(fā)生類型變化的耕地主要是不穩(wěn)定耕地。通過(guò)本研究，得到結(jié)論主要是：

1）半干旱沙區(qū)玉米生長(zhǎng)期降水量波動(dòng)大，偏豐水型與豐水型、偏欠水型與欠水型年份所占比例均較大。1980－2013年，科左后旗玉米生長(zhǎng)期偏豐水型與豐水型年份分別占32.35%、8.82%，偏欠水型與欠水型年份分別占29.41%、11.77%。

2）半干旱沙區(qū)不同降水型下種植業(yè)生產(chǎn)存在很大差異，且干旱對(duì)種植業(yè)的影響大于瀝澇對(duì)種植業(yè)的影響，偏欠水型（2001年）、平水型（2013年）、偏豐水型（2008年、2012年）玉米生長(zhǎng)期耕地NDVIsum分別主要分布在[4，4.5)、[4.5，5.5)、[4，5)，反映出半干旱沙區(qū)種植業(yè)生產(chǎn)具有很大的不穩(wěn)定性。

3）基于半干旱沙區(qū)耕地作物生長(zhǎng)的差異，將 2001年、2013年土地利用均為耕地的土地分為極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、相對(duì)穩(wěn)定和穩(wěn)定 4種類型。極不穩(wěn)定耕地面積為68.75 hm2，占0.037%；不穩(wěn)定耕地面積為33 918.75 hm2，占18.369%；相對(duì)穩(wěn)定的耕地面積為134 031.25 hm2，占72.584%；穩(wěn)定的耕地面積16 637.5 hm2，占9.01%。對(duì)極不穩(wěn)定耕地與不穩(wěn)定耕地應(yīng)當(dāng)進(jìn)行土地退耕以恢復(fù)半干旱沙區(qū)生態(tài)。

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